第二章 SF6断路器的类型及结构
第一节 SF6断路器的类型及基本结构
采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质的断路器称为SF6断路器。由于SF6气体具有优良的绝缘性能和电弧下的灭弧性能，无可燃、爆炸的特点，使其在高压断路器中获得广泛的应用。
一、SF6断路器的特点
（1）SF6气体的良好绝缘性能，使SF6断路器结构设计更为紧凑，电气距离小，单断口的电压可以做得很高，与少油和空气断路器比较，在相同额定电压等级下，SF6断路器所用的串联单元数较少，节省占地，而且操作功率小，噪音小。
（2）SF6气体的良好灭弧特性，使SF6断路器触头间燃弧时间短，开断电流能力大，触头的烧损腐蚀小，触头可以在较高的温度下运行而不损坏。
（3）SF6气体介质恢复速度特别快，因此开断近区故障的性能特别好，通常不加并联电阻能够可靠地切断各种故障而不产生过电压。
（4）SF6断路器的带电部位及断口均被密封在金属容器内，金属外部接地，能更好地防止意外接触带电部位和防止外部物体侵入设备内部，设备可靠。
（5）SF6气体在低压下使用时，能够保证电流在过零附近切断，电流截断趋势减至最小，避免截流而产生的操作过电压，降低了设备绝缘水平的要求，并在开断电容电流时不产生重燃。
（6）SF6气体是不可燃的惰性气体，这可避免SF6断路器爆炸和燃烧，使变电所的安全可靠性提高。
（7）SF6气体分子中不存在碳，燃弧后，使SF6断路器内没有碳的沉淀物，所以可以消除碳痕，使其允许开断的次数多，检修周期长。
二、SF6断路器的外形分类
（一）瓷柱式
这是目前使用较多的一种。在结构上和户外少油断路器相似，具有单断口电压高、开断电流大、运行可靠性高和检修维护工作量小等优点，但不能内附电流互感器，且抗地震能力相对较差。
（二）落地罐式
这是在瓷柱式的基础上发展起来的，具有瓷柱式SF6断路器的所有优点，而且可以内附电流互感器，产品整体不高，抗震能力相对提高，但造价比较昂贵。
三、SF6断路器的基本结构
SF6断路器的基本结构由导电回路、灭弧装置、绝缘部件、操动机构和附属部件等5部分组成。其中的灭弧装置与其它断路器比较有较大差异，而其余几个部分与其它断路器大致相类似。下面着重介绍SF6断路器灭弧装置的结构组成。
（一）灭弧室
SF6断路器灭弧室的具体结构如下。
1.单压式灭弧室
单压式断路器系指在断路器内SF6气体只有一种较低的压力（0.3～0.5MPa），灭弧室的可动部分带有压气装置，靠分闸过程中活塞与气缸的相对运动造成短时气压升高而吹熄电弧。单压式灭弧室有定开距灭弧室和变开距灭弧室两种结构。
（1）定开距灭弧室。定开距灭弧室结构见图2－1。断路器的触头由两个带嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。断路器的弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称为定开距结构。在关合位置时，动触头2跨接于静触头3、5之间，构成电流通路。由绝缘材料制成的固定活塞6和与动触头2连成一体的压气罩1之间围成压气室4。当分闸时动触头2连同压气罩1向右移动，压缩压气室内的SF6气体。当喷口被打开后，形成气流吹弧。图2－1中7为操动机构拉杆，驱动动触头2和压气罩1组成的可动部分运动。灭弧过程如下：
图2－1 定开距灭弧室结构图
1—压气罩；2—动触头；3—静触头；4—压气室；5—静触头；6—固定活塞；7—拉杆
1）在图2－2（a）中，示出了断路器的合闸位置。当分闸时，拉杆7驱动可动部分向右运动，此时，压气室内的SF6气体被压缩，如图2－2（b）所示。当动触头2离开静触头3时，产生电弧。同时，原来由动触头2所封闭的压气室打开而产生气流，向喷口吹弧，如图2－2（c）所示。
2）气流向静触头内孔对电弧进行纵吹，使电弧熄灭。熄弧后的开断位置如图2－2（d）所示。
图2－2 定开距灭弧室灭弧过程示意图
（a）合闸位置；（b）压气过程；（c）吹弧过程；（d）分闸位置
特点是：触头开距小，126kV的断路器只有30mm，触头从分离位置到熄弧位置的行程很短，电弧能量小，熄弧能力强，燃弧时间短。但是压气室的体积较大。
图2－3 变开距灭弧室结构图
1—主静触头；2—弧静触头；3—喷嘴；4—弧动触头；5—主动触头；6—压气缸；7—逆止阀；8—压气室；9—固定活塞；10—中间触头
（2）变开距灭弧室。变开距灭弧室结构见图2－3，其灭弧过程如图2－4所示。由于在灭弧过程中，触头的开距是变化的，故称为变开距灭弧室。触头系统有工作触头、弧触头和中间触头，而且工作触头和中间触头放在外侧，可改善散热条件，提高断路器的热稳定性。为了在分闸过程中压气室的气体集中向喷嘴吹弧，而在合闸过程中不致在压气室形成真空，故设置逆止阀7。合闸时，逆止阀7打开，使压气室与活塞9的内腔相通，SF6气体从活塞小孔充入压气室8。分闸时，逆止阀7堵住小孔，让SF6气体集中向喷嘴3吹弧。其灭弧过程可用图2－4说明如下：
1）如图2－4（a）为合闸位置。当分闸时，可动部分向右移动，压气室内的压力增高，如图2－4（b）所示。工作触头首先分离，待弧触头分离时产生电弧，并开始吹弧，如图2－4（c）所示。
2）触头在分闸过程中开距是变化的，在分闸位置的最终开距最大，因此，断口电压可作得较高，如图2－4（d）所示。
图2－4 变开距灭弧室的灭弧过程图
（a）合闸位置；（b）压气过程；（c）吹弧过程；（d）分闸位置
2.自能式灭弧室
自能式灭弧室包括旋弧式灭弧室和热膨胀式灭弧室。
（1）旋弧式灭弧室。所谓旋弧式灭弧是利用电弧在磁场中作旋转运动使电弧冷却而熄灭的灭弧方式。磁场由设置在静触头附近的磁吹线圈产生。当开断电流时，线圈自动地被电弧串接进回路，在动、静触头之间产生横向或者纵向磁场，如图2－5所示。在图2－5（a）中，电弧轴线与动触头轴线近乎垂直，在图2－5（b）中，电弧轴线与动触头轴线近乎平行，也即电弧电流与磁场有正交分量。这就会产生使电弧旋转的力。图2－6示出了横向旋弧灭弧室的原理图。由图2－6可直观地看出电弧旋转方向。
旋弧式灭弧室结构简单，触头烧损轻微，在中压系统中使用比较普遍。
图2－5 旋弧方式示意图
（a）横向旋弧；（b）纵向旋弧
图2－6 横向旋弧灭弧室
（a）导电系统结构；（b）线圈磁场方向与电弧运动方向
1—静触头；2—动触杆；3—跑弧筒电极；4—驱弧线圈
（2）热膨胀式灭弧室。灭弧中所需的能量是由电弧本身来获得的，其灭弧室结构见图2－7。由图2－7可见，圆柱形的灭弧室被分成两个间隔，即密闭间隔8和密闭间隔大的多的排气间隔10。在这两个间隔中都充有SF6气体。当断路器处于合闸位置时，动触头7通过触指4连接到静触头2，如中心线左部所示。分闸时，电流通过线圈3，如中心线右部所示。当动触头7走动一定距离后，在环状电极5和动触头7之间产生电弧。旋弧线圈3产生与触头的同轴磁场，燃弧环5中的电弧垂直于旋弧线圈3产生与触头的同轴磁场，燃弧环5中的电弧垂直于旋弧线圈3的磁场，其间产生的电动力使电弧高速旋转，如此，把电弧在SF6气体中拉长，旋转电弧不断接触新鲜的SF6气体，释放热能，并将间隔8中的气体加热，产生一个比排气间隔中较高的压力，当触头分开时，两个间隔经动触头7中的喷嘴6连通。此时出现的气压差，被用来经过喷嘴形成纵向吹弧。在下一个电流过零点时，熄灭电弧。
图2－7 热膨胀式灭弧室结构图
1—灭弧室圆筒；2—静触头；3—圆柱形线圈；4—触指；5—环形电极；6—喷嘴；7—动触头；8—密闭的间隔；9—辅助吹气装置；10—排气间隙
无论旋弧式灭弧还是热膨胀式灭弧都能大大减轻操动
机构的负担而提高性能。但也有其自身的弱点，因而往往将几种灭弧原理同时应用。
（二）操动机构
SF6断路器的操作机构有弹簧式和液压式等类型。